ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 2, с. 224-234
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
СПОСОБНОСТЬ К НАКОПЛЕНИЮ НИКЕЛЯ И ЦИНКА И УСТОЙЧИВОСТЬ К НИМ ИСКЛЮЧАТЕЛЯ Thlaspi arvense И ГИПЕРАККУМУЛЯТОРА Noccaea caerulescens © 2014 г. И. В. Серегин, Н. Т. Эрлих, А. Д. Кожевникова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 21.03.2013 г.
Провели сравнительный анализ способности к накоплению никеля (Ni) и цинка (Zn) и устойчивости к этим металлам гипераккумулятора Noccaea саегы1е$свт F.K. Mey и исключателя Thlaspi arvense L. — видов, принадлежащих к сем. Brassicaceae. Четыре экотипа N. сaerulescens (La Calamine (LC, Бельгия), Saint Felix de Pallieres (SF, Франция) с каламиновых почв, богатых Zn, Cd, Pb; Monte Prin-zera (MP, Италия) c серпентиновых почв, богатых Ni, Со и Cr, а также Lellingen (LE, Люксембург) с неметаллоносных почв) выращивали на 1/2 нормы раствора Хогланда в течение 8 недель в присутствии 25, 100, 200, 300, 400 мкМ Ni(NO3)2 (экотипы LC, SF, MP, LE) или 100, 200, 400, 800, 1000 мкМ Zn(NO3)2 (экотипы LC, SF, LE), а T. arvense — в присутствии 10, 20, 25, 30 мкМ Ni(NO3)2 или 40, 50, 60, 70, 80 мкМ Zn(NO3)2. Токсическое действие Ni и Zn оценивали по изменению сухой массы корней и побегов опытных растений по сравнению с контрольными. Содержание металлов в корнях и побегах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Способность к накоплению Ni экотипами N. сaerulescens возрастала в следующем порядке: LC < SF < LE < MP, а для Zn — в ряду: LC < SF < LE. Снижение накопления биомассы корней у гипераккумулятора N. caerulescens начиналось при более низком содержании в них металлов по сравнению с побегами, в то время как у исключателя T. аг-vense прослеживалась обратная закономерность. Так как растение T. аг-vense накапливало Ni и Zn в корнях, а N. сaerulescens — в побегах, можно предположить, что большая чувствительность роста корня по сравнению с побегами у N. сaerulescens определяется более эффективными механизмами детоксикации металлов в побегах. И наоборот, большая чувствительность роста побега по сравнению с ростом корня у T. аг-vense определяется более эффективными механизмами детоксикации металлов в корнях. Разные экотипы гипераккумулятора N. caerulescens, обладая более высокой устойчивостью к Ni и Zn по сравнению с исключателем T. arvense, в свою очередь, существенно отличаются между собой как по способности накапливать тяжелые металлы, так и по устойчивости к ним. Экотип c неметаллоносных почв (LE) накапливал больше Zn, но был менее устойчив по сравнению с экотипами, произрастающими на каламиновых почвах (SF и LC), тогда как экотип с серпентиновых почв (МР) отличался не только значительно большей устойчивостью к Ni по сравнению с другими изученными экотипами, но и наибольшим его накоплением. Полученные результаты свидетельствуют о существовании различий в механизмах и причинах устойчивости растений к Ni и Zn, изучение которых является перспективным направлением будущих исследований.
Ключевые слова: Noccaea сaerulescens — Thlaspi arvense — никель — цинк — рост — устойчивость — содержание металлов
DOI: 10.7868/S0015330314020146
ВЕДЕНИЕ
В связи со все возрастающим загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), одной из ключевых задач современной экологи-
Сокращения: ТМ — тяжелые металлы; экотипы гипераккумулятора Noccaea caerulescens: LC — La Calamine, LE — Lellingen, MP — Monte Prinzera, SF — Saint Félix de Palliéres. Адрес для корреспонденции: Серегин Илья Владимирович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (499) 977-80-18; электронная почта: ecolab-ipp@yandex.ru
ческой физиологии растений является изучение механизмов, определяющих избирательное накопление ТМ у двух контрастных групп растений: исключателей, у которых ТМ накапливаются, главным образом, в корневой системе, и аккумуляторов, у которых они накапливаются преимущественно в надземных органах [1]. Среди последних выделяют более 450 видов (около 0.2% от всех покрытосеменных растений) гипераккумуляторов N1, Zn, Мп, Си, Со, Сё, Аз и 8е, которые сочетают в себе высокую устойчивость к одному
или нескольким ТМ и способность накапливать их в побегах в больших количествах [2]. Так, например, к гипераккумуляторам N1 относят растения, которые накапливают в побегах более 1000 мг №/кг сухой массы, а к гипераккумуляторам Zn — растения, накапливающие более 10000 мг Zn/кг сухой массы [3]. Большинство гипераккумуляторов являются гипераккумуляторами N1, относящимися к сем. Л81егасеае, Вга88Ь сасеае, Вихаееае, БшрИогЫасеае, ИасошгИасеае, Rubiaceae и У1о1асеае [3, 4]. Наиболее богато видами-гипераккумуляторами сем. Вга881сасеае, которое в последнее время привлекает большое внимание ученых, особенно с точки зрения изучения физиологических механизмов, определяющих феномен гипераккумуляции N1 и Zn — одних из самых распространенных ТМ, загрязняющих окружающую среду [2, 4—6].
Растения-гипераккумуляторы являются ме-таллофитами — эндемиками, произрастающими в биогеохимических провинциях, почвы которых обогащены ТМ [7]. Наибольший интерес вызывают серпентиновые почвы, обогащенные N1, Со и Сг, а также каламиновые почвы, богатые Zn, Сё и РЬ, на которых возникли популяции растений, устойчивые к ТМ [8].
Феномен гипераккумуляции N1 впервые был открыт в 1948 г. у АЬуззит ЪгНоЪпи, а гипераккумуляция Zn была впервые описана еще в 1865 г. у Моееава савгиШевт (ранее ТМазр1 савгШезевт) (цит. по [4]). Способность к накоплению ТМ неоднократно возникала не только в разных семействах покрытосеменных растений [9], но и у разных триб и родов внутри одного семейства. Так, например, способность к накоплению N1 растениями сем. Вга881сасеае возникала, по крайней мере, шесть раз, а способность к гипераккумуляции Zn — трижды [4]. Все представители секции №ссаеа являются гипераккумуляторами, что свидетельствует о том, что в этом роде гипераккумуляция имеет монофилетическое происхождение [10, 11].
Способность к гипераккумуляции определяется высокой эффективностью механизмов деток-сикации [4], благодаря чему гипераккумуляторы устойчивы к ТМ. В процессе эволюции механизмы, определяющие устойчивость к ТМ, должны были возникнуть раньше, чем способность к гипераккумуляции, и последняя в большинстве случаев должна определяться более чем одним геном [7]. Предполагается, что устойчивость к ТМ и способность к гипераккумуляции находятся под независимым генетическим контролем [10]. Однако считается, что накопление N1 и Zn у N. саег-Шезсет находится под плейотропным контролем одних и тех же генов [2].
Не только разные виды гипераккумуляторов, но и различные экотипы одного и того же вида
могут существенно различаться по способности накапливать ТМ и по устойчивости к их токсическому действию. Особое внимание в настоящее время уделяется различным экотипам N. сaeгule-scens, которая рассматривается в качестве модельного объекта при изучении феномена гипераккумуляции [12] и широко используется в генетических и иных экспериментах при изучении этого явления [13, 14]. Однако сравнительные данные об устойчивости различных экотипов N. сaeгule-scens к N1 и Zn и их способности накапливать эти ТМ крайне разрозненны и фрагментарны [7, 13, 15]. Поэтому основной задачей настоящей работы являлся сравнительный анализ способности к накоплению N1 и Zn и устойчивости к ним различных экотипов гипераккумулятора N. сaeгule-scens и исключателя Thlaspi aгvense — широко распространенного рудерального вида из сем. Вга88Ь сасеае.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Выращивание растений и оценка токсического действия металлов. Семена растений четырех экотипов гипераккумулятора Noccaea œerulescens F.K. Mey (ранее Thlaspi caerulescens J. & C. Presl): La Calamine (LC, Бельгия), Saint Félix de Palliéres (SF, Франция) с каламиновых почв, богатых Zn, Cd, Pb; Monte Prinzera (MP, Италия) c серпенти-новых почв, богатых Ni, Со и Cr; Lellingen (LE, Люксембург) с неметаллоносных почв, а также семена исключателя Thlaspi arvense L. проращивали в чашках Петри на смоченной водопроводной водой фильтровальной бумаге в течение двух недель в термостате при температуре 20°С в темноте. Проростки на стадии семядольных листьев пересаживали в вегетационные сосуды объемом 1 л (по 4 проростка на сосуд) на 1/2 нормы раствора Хогланда и выращивали в климатической камере (23°C/18°C день/ночь, 14-часовой световой день, уровень освещенности — 200 мкмоль/(м2 с) ФАР, относительная влажность — около 70%). Среда Хогланда включала следующие соли: KNO3, 3 мМ; Ca(NO3)2, 2 мМ; NH4HPO4, 1 мМ; MgSO4, 0.5 мМ; KCl, 1 мкМ; H3BO3, 25 мкМ; ZnSO4, 2 мкМ; MnSO4, 2 мкМ; CuSO4, 0.1 мкМ; (NH4)6Mo7O24, 0.1 мкМ; Fe(Na)-^AT^ 20 мкМ. Среду доводили до рН 5.25 с помощью Mes (2 мМ)/КОН, что позволило предотвратить связывание Ni и Zn c ЭДТА [16]. В течение первой недели инкубации растения выращивали без дополнительного внесения Ni или Zn для адаптации растений к условиям водной культуры. За это время растения незначительно подрастали, их семядоли становились зелеными. В течение последующих 8 недель опытные растения N. œerulescens выращивали на 1/2 нормы среды Хогланда в присутствии 25, 100, 200, 300, 400 мкМ Ni(NO3)2 (эко-
типы LC, SF, MP, LE) или 100, 200, 400, 800, 1000 мкМ Zn(NO3)2 (экотипы LC, SF, LE), а Thlaspi arvense — в присутствии 10, 20, 25, 30 мкМ Ni(NO3)2 или 40, 50, 60, 70, 80 мкМ Zn(NO3)2. Контрольные растения выращивали на 1/2 нормы среды Хо-гланда, т.е. в отсутствие Ni и в присутствии 2 мкМ Zn(NO3)2. Питательную среду сменяли еженедельно.
К концу эксперимента во всех вариантах растения имели развитую розетку листьев. Токсическое действие Zn и Ni оценивали по изменению сухой массы корней и побегов.
Определение содержания никеля и цинка. Содержание Ni и Zn определяли в корнях, черешках листьев и в листовых пластинках. Перед проведением анализа корни последовательно отмывали 20 мМ ЭДТА в течение 10 мин при комнатной температуре, а затем дистиллированной водой. Растительный материал собирали после 8 недель инкубации растений, в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.